JPS5943094B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置、とくに半導体素子を放熱体上に絶
縁物を介して載置した構造の半導体装置に関する。

半導体装置の一例である高出力トランジスタを複数個搭
載した混成集積回路装置では、数アンペア以上のコレク
タ電流が流れるが、この際半導体素子としてのトランジ
スタペレットは通常発熱する。

この発熱に起因する特性の不安定性や寿命の加速的劣化
を避けるため、トランジスタペレットが許容制限温度を
越えて昇温するのを防止する方法がとられなければなら
ない。また、混成集積回路装置に所定の電気的機能を持
たせるには同回路装置に搭載される回路素子、中でも半
導体素子としてのトランジスタペレットは他の回路素子
と電気的に絶縁されなければならない場合が多い。

さらに、高度な機能を要求される混成集積回路装置では
搭載された回路素子が外部からの影響、とくに電磁波妨
害を受けないようにするための方策がとられねばならな
い。以上のような要請を満たす混成集積回路装置の一例
として、従来より、第１図のように、金属支持体１に電
気絶縁担体としてのアルミナ板やベリリャ板のようなセ
ラミック板２、２’を介して一体化された金属載置板３
、３’上に、半導体素子をはじめとする抵抗体、コンデ
ンサなどの回路素子４、４’を搭載した構造の装置があ
る。

この場合、セラミック板２、２’の下面は金属ろう層（
図示せず）などを介して支持体１と一体化されると共に
、その上面は、同様に金属ろう層など（図示せず）を介
して回路素子４、４’を載置した載置体３、３’と一体
化される。

そして、前述したように搭載された回路素子４、４’、
とくに高出力半導体素子は通電にともなう発熱により昇
温する。これを防止するため、前述した混成集積回路装
置の金属支持体１を、熱伝導性が良く、かつ一方の面が
平面であり、他方の面が前記一方の面より大きな表面積
を有する金属放熱体６に取り付けて使用している。

このように混成集積回路装置を金属放熱体６に取り付け
た構造の場合は、次のような欠点がある。（１）混成集
積回路装置の金属支持体１は、通常、ねじ締めなどによ
る機械的な方法で、金属放熱体６に取り付けて使用され
る。

その際、金属支持体１と金属放熱体６との界面は、単に
相互の表面どうしが接触された状態にしかなつていない
。また、金属支持体１や金属放熱体６の接触面は、通常
数１０〜数１００１ｔｍの面荒さを有していたり、数１
００μｍのわん曲面を有していたりするため、両者間の
接触界面には大小の空隙が存在している。したがつて、
同界面の接触熱抵抗は無視できない程度に大きくなる。
（２）金属支持体１と金属放熱休６との界面における接
触熱抵抗を下げるために、通常シリコーングリース等を
用いて空隙を埋める方法がとられるが、グリース自体の
熱伝導性は金属に比べて著しく劣るため、放熱性を十分
高めることが困難である。（３）混成集積回路装置の使
用にあたつて、同装置をいちいち金属放熱体６に取り付
けなければならず、使用者に不便感を与える。

（（１）混成集積回路装置を利用したシステムの軽量化
や製作コストの低減のためには、部品点数を少なくする
ことや安価な部品を用いることが重要であるが、それぞ
れ個別になつている混成集積回路装置を金属放熱体６に
取り付ける方式では、少なくともこの取付機構の中で部
品点数の縮減をはかることは困難である。

以上では、混成集積回路装置を例として従来の半導体装
置の欠点の説明したが、金属支持体に単一の半導体素子
を搭載した絶縁型トランジスタ、サイリスタ、ダイオー
ドなど、他の半導体装置においても同様の問題点を残し
ていた。

本発明は前述の欠点を改め、放熱囲がよく、小型軽量化
され、そして半導体装置と放熱体との取り付けに要する
使用者の手間を省くことができ、しかも安価に製作でき
る半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成してなる本発明の半導体装置は、少なく
とも半導体素子を含む回路素子と、該回路素子を載置し
た金属載置板と、少なくとも該金属載置板を搭載する部
分が平面である放熱体と、その両面に熱可そ性樹脂を被
覆した耐熱性フイルムであつて、前記金属載置板と放熱
体の一方の面との間に介在されて、両者間を電気絶縁す
るとともに、前記金属載置板および放熱体を接着一体化
する複合樹脂フイルムとから構成されたことを特徴とす
る。

即ち、本発明による半導体装置は、少なくとも半導体素
子を含む回路素子を載置した金属載置板を耐熱性フイル
ム（例えばポリイミドフイルム）の両面に、熱可そ性樹
脂（列えばフツ素化樹脂）を被覆した複合樹脂フイルム
を介して放熱体へ接着一体化した構造にすることにより
、前述した放熱性の改善、軽量化、製作コストの低減、
および使用者の便宜をはかるようにしたものである。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。実施例
１本実施例における半導体装置は２０Ａ級整流用の混成
集積回路装置であり、第２図に示すように、一方の面が
平面であり、他方の面がくし歯状に成形された放熱体と
してのアルミニウムフイン１６上に、４個のシリコンダ
イオードペレツト１４，１４′（同図では２個を図示省
略）を鉛−スズ系はんだ（図示せず）を用いて載置した
銅載置板１３，１３′を両者間に絶縁担体としてのフイ
ルム状ポリイミドの両面に熱可そ性の弗素化樹脂を被覆
して形成した複合樹脂フイルム１２を挟み、加熱によつ
て前記弗素化樹脂を軟化させ、そのぬれ性によつてこれ
らを接着一体化した物である。

なお、各々のダイォードペレツト１４，１４′にはリー
ド線（図示せず）が設けられ、４個のダイオードがそれ
ぞれ整流回路の一部を担うように電気接続され、そして
少なくとも各ダイオードペレツトが外気からしや断され
るようにレジンモールドされる。

このような構成で得られた半導体装置のシリコンダイォ
ードペレツト１４，１４１とフイン１６間の絶縁耐圧お
よび熱抵抗は、それぞれ２００Ｖ以上および１゜ｃ／Ｗ
以下が得られ、同装置の定格電流容量に対して１５０％
に相当する過電流を通電した場合でも、シリコンダイオ
ードペレツト１４，１４７の温度が１１０℃を越えるこ
とはなかつた。

以上のように、本実施例装置の電気絶縁性や放熱註は２
０Ａ級整流回路装置として実用する上で何等支障のない
ことが確認された。本実施例において十分な電気絶縁性
が得られたのは電気抵抗の大きなポリイミドとフツ素化
樹脂で構成された複合樹脂フイルムを用いているためで
ある。また、本実施例において良好な放熱性が得られた
のは、半導体装置の発熱源としてのシリコンダイオード
ペレツト１４，１４′から、放熱体としてのフイン１６
までの間に介在する構成部品数を減らして熱抵抗を滅ら
したこと、および熱流路を構成する各部品間を粘着処理
的手法によつて空隙の少ない緻密な一体化結合を実現し
たため界面熱抵抗の上昇を避けられたことによる。

また、本実施例半導体装置の重量は、同等の電流容量を
有する従前の半導体装置に放熱体を取り付けた場合の重
量に比べて約５０％低減され、その体積も約５０％低減
された。

さらに、本実施例半導体装置の製作コストは、従前の半
導体装置に放熱体を取り付けた場合のそれに比べて約４
０％節減することができた。このように軽量化およびコ
スト低減が実現できたのは、従前の半導体装置の中でそ
の重量の約２０％を占め、また部品コストの約１０％を
占めていた金属支持体や放熱板と半導体載置板との結合
締めねじなどを使用していないこと、および絶縁担体と
して極めて軽量で、かつセラミツク板の約１／１００の
価格である複合樹脂フイルムを用いたこと、及びチツプ
・放熱体間の熱抵抗の低減により、放熱体が小型化でき
たことによる。

以上のようにして得た本実施例半導体装置は、同装置の
製作段階ですでに放熱機構を設けてあるため、使用者が
改めて放熱体を取り付ける必要はなく、放熱体取り付け
のわずられしさから解放され得ることは明白である。実
施例 ２ 本実施例における半導体装置は回路素子としてのシリコ
ントランジスタペレツト４個、シリコンダイオードペレ
ツト２個、チツプコンデンサ２個およびチツプ抵抗２個
を搭載した６００Ｗ級電流制御用混成集積回路装置であ
る。

その構成は、前記実施例１と同様に、一方の面が平面で
あり、かつ他方の面がくし歯状に成形された放熱体とし
てのアルミニウムフイン上に、前述の回路素子が搭載さ
れた銅載置板を、フイルム状ポリイミドの両面にフツ素
化樹脂を被覆した複合樹脂フイルムを介して接着一体化
した物である。以上の構成で得られた本実施例半導体装
置の絶縁性は前記実施例１と同等であつた。

また、同装置に定格出力の１５０％に相当する電力を加
えたところで、全ての搭載回路素子とも１００℃以上に
昇温することはなかつた。以上のように本実施例半導体
装置の絶縁性、放熱性ともに優れた結果が得られたのは
、前記実施例１と同様の理由による。

また、本実施例半導体装置の重量は、同等の定格電力を
有する従来の回路装置（デスクリード型半導体装置を組
合せた混成回路装置）の約１／５と大幅に低減されると
ともに、本実施例半導体装置の製作コストは前述した従
来の回路装置の約１／４に節減された。

このように、従来のデスクリード型半導体装置の組合せ
による回路装置に比べて大幅な軽量化やコスト節減が可
能となつたのは、前記実施例１と同様の理由により、放
熱性に優れる載置板・フイン付放熱体一体化物に多数の
回路素子を同時に搭載したことに起因する。

実施例 ３ 本実施例における半導体装置は、第３図に示すように、
一方の面が平面であり、他方の面がくし歯状に成形され
た放熱体としてのアルミニウムフイン２６上に、半導体
素子としてのシリコントランジスタペレツト２４を鉛−
スズ系はんだ（図示せず）を用いて載置した銅載置板２
３を、両者間に、絶縁担体としてのフイルム状ポリイミ
ドの両面にフツ素化樹脂を被覆して形成した複合樹脂フ
イルム２２を介して接着一体化した物である。

なお、トランジスタペレツト２４にはベース端子、エミ
ツタ端子、およびコレクタ端子をそれぞれ取り付けると
ともに、トランジスタペレツト２４が外気からしや断さ
れるようにレジンモールドされる。以上の構成で得られ
た本実施例半導体装置の絶縁性は、前記実施例１と同等
であり、そして同装置に定格出力の１５０％に相当する
電力を加えても、トランジスタペレツトが１００℃以上
に昇温することはなかつた。

このように本実施例半導体装置の絶縁性、放熱性ともに
優れた結果が得られたのは、前記実施例１と同様の理由
による。また、本実施例半導体装置の重量および製作コ
ストは、同等の定格電力を有する従来の半導体装置に放
熱体を取り付けた場合に比べ、それぞれ約２０％および
１５％低減された。このように軽量化やコスト節減が可
能となつたのは前記実施例１と同様の理由による。実施
例 ４ 本実施例における半導体装置は、前記実施例１における
放熱体としてのアルミニウムフイン２６を、第４図に示
すように、表面に耐食性酸化皮膜３６′を設けたアルミ
ニウムフイン３６に代えた物である。

以上の構成で得られた本実施例半導体装置の放熱肚、重
量、そして製作コストは前記実施例１の場合と同等であ
つた。

この理由は前記実施例１の場合と同様である。また、ダ
イォードペレツトとアルミニウムフイン３６との間の絶
縁耐圧は３０００Ｖ以上と高い値が得られた。

これはアルミニウムフイン３６の表面に耐食性酸化皮膜
３６′を被覆してあるため、この酸化皮膜３６′が複合
樹脂フイルムに加えて電気絶縁を担うためである。この
ように、本実施例半導体装置では前記実施例１よりも電
気絶縁性に優れることが実証された。実施例 ５ 本実施例における半導体装置は、前記実施例１における
放熱体としてのアルミニウムフイン１６を銅フインに代
えた物である。

以上の構成で得られた本実施例半導体装置の電気絶縁性
、放熱肚、そして製作コストは前記実施例１の場合と同
等であつた。

この理由は前記実施例１の場合と同様である。また、本
実施例半導体装置の重量は、従前の同等の半導体装置に
放熱体を取り付けた場合より約１０％低減された。この
理由は前記実施例１の場合と同様である。さらに、本実
施例半導体装置では載置板とフインが同じ材質（銅）で
あり、さらにこれらの熱膨脹係数（１８×１０−６／℃
）が複合樹脂フイルムのそれ（２０×１０−６／℃）と
ほぼ同等であるため、載置板・フイン間一体化部の熱疲
労による破壊を避けることができる。

なお、前記実施例１〜５において用いた複合樹脂フイル
ムを構成するポリイミドフイルムの厚さは１０〜１００
μｍ、フツ素化樹脂の厚さは１０〜５０μｍが好適であ
つた。

以上の説明から明らかなように、本発明の半導体装置が
、その構成上従前の半導体装置と異なる点は、（１）少
なくとも半導体素子を含む回路素子を載置した載置板を
、前述した複合フイルムを介して直接放熱体へ接着一体
化したこと、即ち従前の半導体装置では不可欠であつた
金属支持体の使用を不要としたこと、（２）熱の発生源
となる回路素子から放熱体に至るまでの熱流路に存在す
る界面が、全て粘着処理的手法によつて緻密に一体化さ
れたこと、即ち従前の半導体装置を使用するにあたつて
不可欠であつたねじ締め等の機械的手段による取り付け
を避け得ること、である。

まづ、放熱性は、従来放熱体と金属載置板との間に介在
されていた支持体の使用を不要化することにより同支持
体自体の保有熱抵抗を皆無にできること、および従来の
機械的手段による取り付けの代りに粘着処理的手法によ
つて界面熱抵抗の上昇を抑えることで、その改善をはか
ることが可能となる。

また軽量化およびコスト低減は、前述のように支持体や
締めねじの使用を不要化すること、および電気絶縁担体
および接着層とに機能し、しかも安価かつ軽量な複合樹
脂フイルムを使用することで同時に実現できる。

以上に述べたように、本発明半導体装置はその製作段階
で放熱機構を具備しているため、使用者がその都度半導
体装置を放熱体に取り付けるわずられしさを解消できる
。

なお、本発明半導体装置の放熱体は、比較的安価かつ成
形が容易で、熱伝導率の大きいアルミニウムまたは銅な
どで構成されることが好ましく、特に軽量で安価なアル
ミニウムまたは表面に耐食性酸化皮膜を被覆した物（ア
ルマイト）であることが一層望ましい。

これは絶縁担体としての複合樹脂フイルムとともに、前
記酸化皮膜にも電気絶縁を分担させることができるから
である。本発明半導体装置の載置板を放熱体に一体化す
るには、通常の熱処理法によればよく、この際熱処理雰
囲気は、水素、窒素、アルゴン、酸素のように比較的安
価かつ入手の容易なガスを用いることができ、また必要
ならば他の不活性ガスを適宜使用してもよい。

以上に実施例を用いて本発明を説明したが、本発明はこ
れのみに限定されるものではなく、例えば次のような場
合でも本発明の効果ないし利点を享受できる。

（１）載置板を搭載する側の放熱体の面が一様な平面に
なつている必要はなく、例えば第５図に示すように、放
熱体２６の載置板搭載部が凹型４７に成形されるか、あ
るいは第６図に示すように、凸型４８に成形された場合
でもよい。

（２）放熱体のヒレは、載置板を搭載する側に対して反
対の側にのみ設ける必要はなく、第７図に符号２６ａ，
２６ｂで示すように、放熱体の側部あるいは載置板搭載
側の一部に設けた場合でもよい。（３）ポリイミドとフ
ツ素化樹脂よりなる複合樹脂フイルムの代りに、例えば
シリコン樹脂と酸化アルミニウムよりなるフイルム（サ
ーモ・フロー・シートの名で市販されているもの）など
の他の材料を用いることができ、一般的には耐熱性フイ
ルムの両面に熱可そ性樹脂を被覆したものが利用可能で
ある。

なお、耐熱性フイルムとしてポリイミドを主体とする樹
脂を、また熱可そ性被覆としてフツ素樹脂を用いた場合
には、該半導体装置は高い耐熱性を有すると共に、該金
属載置板と放熱体とを強固に接着することができる。

更に、この複合樹脂フイルムは２５０〜４００℃に加熱
することで、強く接着することができるので、半導体装
置の必要な部分のはんだによる導電接着も同時に進める
ことができ、製作工程が短縮できる利点がある。以上ま
でに説明したように、本発明によ．れば次のような利点
ないし、効果を奏することができる。（１）熱の発生源
となる回路素子から放熱体へ至るまでの熱流路に存在す
る界面が、全て粘着処理的手法によつて、緻密かつ空隙
なく連続的に一体化されているため、界面熱抵抗の上昇
を抑えることができる。（２）発熱源から放熱体へ至る
までの熱流路に、従来の半導体装置では不可欠であつた
支持体が存在しないため、支持体そのものの熱抵抗およ
び支持体の存在にともなう界面熱抵抗を皆無にすること
ができる。

（３）前記（１）、（２）により半導体装置の放熱・囲
を高め、同装置を安定に作動させることができる。

（４）従来の半導体装置において不可欠であつた支持体
や締めねじの使用を避けることができ、そしして絶縁担
体として軽量な複合樹脂フイルムを用いるため、半導体
装置の軽量化や動作の安定化をはかることができる。

（５）従来の半導体装置において不可欠であつた支持体
の使用を避け、絶縁担体として安価な複合樹脂フイルム
を使用し、半導体装置製作過程で放熱機構まで設けてし
まうため、従来の半導体装置に放熱体を取り付けた物に
比べて製作コストを節減することができる。

（６）半導体装置の製作過程で放熱機構まで取り付けた
形になつているため、使用者に放熱体を取り付ける労を
わずられす必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型半導体装置の放熱体との一体化構造図、
第２，３図はそれぞれ本発明の実施例の断面図、第４，
５，６および７図はそれぞれ本発明において用いる放熱
体（フイン）の断面図、１２，２２・・・・・・複合樹
脂フイルム、１３，２３・・・・・・銅載置板、１４・
・・・・・シリコンダイオードペレツト、１６，２６，
３６・・・・・・放熱体（フイン）、２４・・・・・・
シリコントランジスタペレット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも半導体素子を含む回路素子と、該回路素
   子を載置した金属載置板と、該金属載置板を搭載する部
   分を有する放熱体と、耐熱性フィルムの両面に熱可そ性
   樹脂を被覆して構成され、前記金属載置板と放熱体との
   間に介在させて、両者を電気的に絶縁するとともに固着
   一体化する複合樹脂フィルムとを具備したことを特徴と
   する半導体装置。 ２ 耐熱性フィルムがポリイミドを主体とする樹脂であ
   り、熱可そ性被膜が弗素化樹脂であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。